原创 CAN总线(一)

 我是一个电子菜鸟，现在从事产品研发的工作，在以后漫长的时间里会接触到很多新的IC，新的技术，新的理论，我很喜欢这种感觉。最近在接触CAN总线方面的知识，需要用CAN总线来实现电梯的并联，一脸茫然，好不容易查到一些有用的资料，发上来跟大家分享。也希望有这方面经验的大虾们能够留下你们的脚步，给点技术支持哈~

                                         CAN总线简介
    CAN[Control（Controller） Area Network]是控制(器)局域网的简称。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。目前CAN 总线规范已被国际标准化组织ISO制订为国际标准ISO11898，并得到了Motorola，Intel ，Philips等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN协议的产品。目前CAN总线主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制（ASC）、抗锁定刹车系统（ABS）和抗滑系统等。BENZ、BMW等著名汽车上已经采用CAN来满足上述功能。在工业过程控制领域，CAN也得到了广泛的应用。

1.1.1 CAN协议 CAN总线采用分层结构，规范规定了任意两个节点之间的兼容性。包括电气特件利数据解释协议。
    CAN协议可分为：目标层、传送层、物理层。其中目标层和传送层包括了ISO/OSI定义的数据链路的所有功能。目标层的功能包括：确认要发送的信息；位应用层提供接口。传送层功能包括：数据帧组织：总线仲裁：检错、错误报告、错误处理。
    CAN总线以报文为单位进行信息交换，报文中含有标示符（ID），它既描述了数据的含义又表明了报文的优先权。CAN总线上的各个协点都可主动发送数据。当同时有两个或两个以上的节点发送报文时，CAN控制器采用ID进行仲裁。ID控制节点对总线的访问。发送具有最高优先权报文的节点获得总线的使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。
CAN支持四类信息帧类型。
    （1）数据帧 CAN协议有两种数据帧类型标准2.0A和标准2.0B。两者本质的不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中，ID的长度为l l位；在2.0B类型中ID为29位。一个信息震中包括7个主要的域： 帧起始域——标志数据帧的开始，由一个显性位组成。仲裁域——内容由标示符和远程传输请求位（RTR）组成，RTR用以表明此信息帧是数据帧还是不包含任何数据的远地请求帧。当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧必须在同一条总线上传输时，首先判断其优先权，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧。控制域——r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。 数据域——包含0～8字节的数据。校验域——检验位错用的循环冗余校验域，共15位。应答域——包括应答位和应答分隔符。正确接收到有效报文的接收站在应答期间将总线值为显性电平。 帧结束——由七位隐性电平组成。

    （2）远程帧接受数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据。它由6个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、校验域、应答域、帧结束。

    （3）错误指示帧由错误标志和错误分界两个域组成。接收节点发现总线上的报文有误时，将自动发出“活动错误标志”其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”。

    （4）超载帧由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束后开始。当接收方接收下一帧之前，需要过多的时间处理当前的数据，或在帧问空隙域检测到显性电平时，则导致发送超载帧。

    （5）帧间空隙位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之间，由帧间空隙和总线空闲状态组成。帧间空隙是必要的，在此期间， CAN不进行新的帧发送，为的是CAN控制器在下次信息传递前有时间进行内部处理操作。当总线空闲时CAN控制器方可发送数据。

1.1.2电气参数及信号表示
    总线上的数据采用不归零编码方式（NRZ），可具有两种互补的逻辑值之一：显性及隐性。CAN总线中各节点使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播段、相位缓冲段1及相位缓冲段2组成。发送器在同步段前改变输出的位数值，接受器在两个相位缓冲段间采样输入位值，而两个相位缓冲段长度可自由调节，以保证采样的可靠性。另外，CAN总线采用时钟同步技术来保证通讯的同步。

1.2 CAN的主要技术特点
    CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统，CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的"调度" CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。 CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。

1.3 CAN总线通信系统拓扑结构
CAN在物理结构上属于总线式通信网络。系统的组成如下图：

                        图1 CAN总线系统结构图

    该系统由上位监控PC机、智能节点和现场设备三部分组成。上位监控PC机主要负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示；智能节点可以使现场设备方便地连接到CAN总线上，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理后的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000发送到CAN总线。智能节点的设计和选择，对通信信号的传输发送有很的影响，系统中的数据传送和接收，都是通过CAN总线接口实现。CAN总线接口电路的设计，对CAN总线很是重要。本文正是基于此，对CAN总线接口电路进行设计分析，给出一种设计方案。

2 CAN总线接口电路设计

2.1 总体方案设计
    CAN 总线接口电路主要包括：单片机、控制器接口、总线收发器和看门狗电路等。采用Philips公司生产的SJA1000控制器和与其配套的82C250CAN收发器。按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。双绞屏蔽线可设两套，在两套介质上同时进行信息传输，接收方只用一个介质。在冗余和非冗余段的连接临界点处进行总线切换。
    硬件电路的设计主要是CAN 通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰（RFI），实现热防护等。看门狗电路主要是实现对电路的监控和复位作用。

    目前广泛流行的CAN总线器件有两大类：一类是独立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及Intel82526/82527等，另一类是带有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本课题选取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250总线收发器，主要是考虑到SJA1000支持CAN 2.0A/B规约。而82C250可以支持110个CAN节点，并且国内市场上PHILIPS的产品型号比较多，购买比较方便。在本次设计中，接口电路简单表示如下图：

                       图2-1 接口电路总体框图